Спектроскопическое определение несимметричного диметилгидразина в объектах окружающей среды (стр. 1 из 3)

Спектроскопическое определение несимметричного диметилгидразина в объектах окружающей среды

Струков Владимир Юрьевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Краснодар 2006

Общая характеристика работы

Актуальность темы. N,N-диметилгидразин (несимметричный диметилгидразин, НДМГ) – производное гидразина, обладающее высокой токсичностью и взрывоопасностью, применяется в качестве горючего компонента жидких ракетных топлив, а также при производстве некоторых средств защиты растений.

Количественно НДМГ в различных объектах окружающей среды чаще всего определяют методами спектрофотометрического анализа в виде диметилгидразона п‑нитробензальдегида, образующегося по реакции конденсации. В литературе описаны также хроматографические методики анализа (газовая и ионная хроматография). В последнее время все большее развитие приобретают тест-методы анализа. Однако эти методики не всегда обеспечивают достаточную степень точности, необходимый уровень чувствительности и селективности, и поэтому разработка надежных способов определения НДМГ с высокими метрологическими характеристиками представляет актуальную задачу экоаналитического контроля.

Низкий уровень значений ПДК НДМГ на фоне сложного состава природных матриц создает трудности при его определении и требует повышения чувствительности и селективности методик, реализация которых возможна путем использования новых аналитических реакций, обеспечивающих лучшие метрологические характеристики анализа.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке ведомственной целевой программы Рособразования (проект РНП.2.2.2.2.1273 «Новые методы разделения, концентрирования и определения загрязняющих веществ для целей экоаналитического мониторинга»).

Цель работы. Исследование реакций конденсации НДМГ с ароматическими альдегидами и разработка на их основе оптимальной схемы определения НДМГ в объектах окружающей среды.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

– исследование реакции взаимодействия ароматических альдегидов с НДМГ;

–обоснование выбора реагентов, пригодных для количественного определения НДМГ;

– выбор методов анализа, позволяющих с достаточной точностью и высокой чувствительностью проводить определение НДМГ;

– разработка оптимизированных методик определения N,N-диметилгидразина в различных экологических объектах.

Научная новизна. Разработана аналитическая схема определения НДМГ в объектах окружающей среды, основанная на реакции его конденсации с ароматическими альдегидами. Установлены некоторые закономерности влияния строения углеводородного радикала альдегидов, связанного с ароматическим кольцом, положения заместителя в кольце относительно карбоксильной группы на аналитические характеристики определения НДМГ.

Практическая значимость. Разработаны методики флуориметрического и экстракционно-фотометрического определения НДМГ с коричным альдегидом на уровне ПДК в различных объектах окружающей среды.

На защиту выносятся результаты:

– исследований реакций конденсации ароматических альдегидов с НДМГ;

– кинетических исследований процессов флуоресценции диметилгидразонов;

– оптимизации условий взаимодействия НДМГ с ароматическими альдегидами, обеспечивающие наилучшие аналитические характеристики его определения;

– применения способов определения НДМГ методами флуориметрии и фотометрии с п-нитробензальдегидом, его орто- и мета-изомерами, коричным альдегидом и 5‑фенилпентадиен-2,4-алем;

– оптимизации схем определения НДМГ в объектах окружающей среды.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ΙΙΙ Международной конференции «Экстракция органических соединений – ЭОС 2005» (Воронеж, 2005), ΙΙ Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» (Краснодар, 2005), Международном конгрессе по аналитической химии – ICAS 2006 (Москва, 2006). По материалам диссертации получен один патент РФ, опубликованы две статьи и трое тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, выводов, списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 110 страницах текста, содержит 16 рисунков, 4 таблицы, в списке цитируемой литературы 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Обзор литературы

В литературном обзоре обсуждены методы пробоподготовки и определения НДМГ в различных объектах окружающей среды. Показано и проанализировано разнообразие способов определения содержания НДМГ, наиболее часто используемых в настоящее время. Обсуждены известные инструментальные методики, а также тест-методы контроля НДМГ. Анализируются основные достоинства и недостатки методик анализа экологических объектов при его определении. Показана целесообразность разработки экспрессных, селективных, чувствительных методик определения НДМГ в объектах окружающей среды.

Экспериментальная часть

Для исследования использовали аттестованный раствор НДМГ и промышленно выпускаемые реагенты квалификации не ниже ч.д.а. 5-фенилпентадиен-2,4-аль синтезировали из коричного альдегида. Спектры поглощения диметилгидразонов альдегидов снимали на спектрофотометре SPECORD UV/VIS («Карл Цейсс», Германия), процессы их флуоресценции изучали

на флуориметре «Флюорат-02-1», величину оптической плотности определяли на колориметре фотоэлектрическом концентрационном КФК-2 МП, хроматографирование исследуемых растворов проводили на газовом хроматографе CHROM-5, в качестве сорбента для разработки ТСХ‑определения НДМГ использовали хроматографические пластинки с силикагелем в качестве неподвижной фазы на полиэтилентерефталатной подложке.

Изучение возможности фотометрического определения несимметричного диметилгидразина

В качестве реагентов для определения НДМГ использовались альдегиды ароматического ряда: традиционно применяемый п-нитробензальдегид, его орто- и мета-изомеры, коричный альдегид и 5-фенилпентадиен-2,4-аль, образующие с НДМГ гидразоны, способные поглощать излучение в УФ- и видимой части спектра.

Гидразоны получали в среде уксусной кислоты и этиленгликоля. Длину волны поглощения диметилгидразонов определяли по спектрам, полученным на спектрофотометре SPECORD UV/VIS («Карл Цейс», Германия) при концентрации НДМГ 1,0 мкг/мл в кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 см относительно растворов реагентов (рис. 1).

Исходные реагенты (ароматические альдегиды) поглощают в области 230–260 нм, а после протекания реакции конденсации НДМГ с указанными ароматическими альдегидами спектральная картина существенно изменяется, что свидетельствует об образовании диметилгидразонов во всех изучаемых системах. Максимумы поглощения наблюдались при 400, 370, 390, 380 нм для гидразонов п-нитробензальдегида, коричного альдегида, о-нитробензальдегида, м‑нитробензальдегида и 5-фенилпентадиен-2,4-аля соответственно.

Рисунок 1 – Спектры поглощения диметилгидразонов

5-фенилпентадиен-2,4-аля (1), о-нитробензальдегида (2),

м-нитробензальдегида (3), п-нитробензальдегида (4), коричного альдегида (5) и реагентов: о-нитробензальдегида (6),

м-нитробензальдегида (7), п-нитробензальдегида (8),

5-фенилпентадиен-2,4-аля (9) и коричного альдегида (10)

Величину избытка реагентов, достаточную для фотометрического определения, оценивали по кривым зависимости оптической плотности от соотношения альдегида – НДМГ. Было установлено, что в случае использования о‑нитробензальдегида достаточным является 10000-кратный избыток, для его м- и п-изомеров – 2000-кратный, для 5‑фенилпентадиен-2,4-аля – 1000-кратный и для коричного альдегида – 500-кратный избыток (рис. 2).

Продолжительность реакции при постоянной температуре устанавливали по зависимости оптической плотности от времени нагрева реакционных систем, вид полученных зависимостей при 100оС показан на рис. 3. Для проведения реакции с о-нитробензальдегидом достаточно продолжительности нагрева в течение 40 минут, с м- и п‑изомерами 30 и 20 минут соответственно, 10 минут с коричным альдегидом и 50 минут с 5-фенилпентадиен-2,4-алем.

Рисунок 2 – Зависимость оптической плотности от величины избытка о-нитробензальдегида (1), м-нитробензальдегида (2),

п-нитробензальдегида (3), коричного альдегида (4)

и 5-фенилпентадиен-2,4-аля (5)

Рисунок 3 – Зависимость оптической плотности от времени нагрева НДМГ с о-нитробензальдегидом (1), м-нитробензальдегидом (2),

п-нитробензальдегидом (3), коричным альдегидом (4)

и 5-фенилпентадиен-2,4-алем (5) при 100оС

В оптимизированных таким образом условиях были построены градуировочные зависимости величины оптической плотности от концентрации НДМГ в растворе при 400 нм в кюветах с толщиной поглощающего слоя 2 см относительно фоновых растворов реагентов. Вид полученных зависимостей представлен на рис. 4.

Рисунок 4 – Зависимость оптической плотности от концентрации НДМГ (о-нитробензадльдегид (1), м-нитробензальдегид (2),

п-нитробензальдегид (3), коричный альдегид (4)

и 5-фенилпентадиен-2,4-аль (5)

Линейность в случае о-, м-, п-нитробензальдегидов сохраняется в диапазоне 2,0–20,0; 0,5–15,0 и 0,1–10,0 мкг/мл соответственно. При использовании 5-фенилпентадиен-2,4-аля диапазон линейности составляет 1,0–10,0 мкг/мл, а в случае коричного альдегида – 0,05–10,0 мкг/мл. С целью повышения чувствительности спектрофотометрического определения и расширения диапазона определяемых концентраций НДМГ с использованием коричного альдегида были изучены процессы концентрирования диметилгидразона методом жидкость-жидкостной экстракции. В качестве экстрагентов применяли гексан и хлороформ. Степень перехода диметилгидразонов альдегидов из водной фазы в органическую контролировали хроматографически.